KR102747661B1 - Wireless adapter device for industrial plants - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산업플랜트용 무선 어댑터 장치에 관한 것으로, 이종 계측장치에 대해 입출력 인터페이스(I/O Interface)로서 다중 계측신호를 수용하는 아날로그/디지털 컨버터(이하, ADC); WirelessHART 프로토콜을 기반으로 게이트웨이와 무선 통신하는 WirelessHART 모듈; 현장의 HART 기기와 통신을 수행하는 HART 모뎀; 및 WirelessHART(IEC62591) 표준 지원 통합 펌웨어를 포함하고 상기 WirelessHART 모듈을 작동시키고 보안 서비스 어플리케이션을 실행하고 무선 통신 상태를 표시하는 MCU를 포함한다. 따라서, 본 발명은 다양한 계측신호의 수용이 가능하고 상호 운용성이 향상된 고신뢰의 산업플랜트용 무선 통신 시스템을 구축할 수 있다.The present invention relates to a wireless adapter device for industrial plants, comprising: an analog/digital converter (hereinafter, ADC) that accepts multiple measurement signals as an input/output interface (I/O Interface) for heterogeneous measurement devices; a WirelessHART module that wirelessly communicates with a gateway based on the WirelessHART protocol; a HART modem that communicates with a HART device in the field; and an MCU that includes integrated firmware that supports the WirelessHART (IEC62591) standard, operates the WirelessHART module, executes a security service application, and displays a wireless communication status. Accordingly, the present invention can construct a highly reliable wireless communication system for industrial plants that can accept various measurement signals and has improved interoperability.
Description
본 발명은 산업플랜트용 무선 어댑터 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 계측신호의 수용이 가능하고 상호 운용성이 향상된 고신뢰 산업플랜트용 무선 어댑터 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless adapter technology for industrial plants, and more specifically, to a highly reliable wireless adapter device for industrial plants capable of accepting various measurement signals and having improved interoperability.
산업용 무선통신 기술이란, 산업 분야에서 유선 네트워크 구축이 어려운 환경을 위해 무선 기술을 적용한 산업용 무선 네트워크 기술을 의미한다. 즉, 공장 환경에 유선 네트워크를 설치하기 힘든 지역이나 배선이 되어 있지 않은 현장을 위해 무선 기술이 필요하며, 산업 환경에 적용할 수 있는 산업용 무선통신을 이용하여 요구사항을 만족시킬 수 있다. 산업용 무선통신 기술은 주로 회전체, 이동체 분야에 적용이 되고 있으며, 실시간 제어보다는 모니터링 목적으로 사용이 확대되고 있다.Industrial wireless communication technology refers to industrial wireless network technology that applies wireless technology to environments where it is difficult to build wired networks in the industrial field. In other words, wireless technology is needed for areas where it is difficult to install wired networks in factory environments or for sites where wiring is not available, and requirements can be satisfied by using industrial wireless communication that can be applied to industrial environments. Industrial wireless communication technology is mainly applied to rotating and moving objects, and its use is expanding for monitoring purposes rather than real-time control.
현재 무선산업통신 IEC 국제표준 기술로는 WirelessHART(IEC 62591), ISA 100.11a(IEC62734), WIA-PA(IEC 62601), WIA-FA(IEC CD62948)이 있다. IEC TS 62657-1 및 IEC 62657-2에서 산업현장에 무선통신 기술을 적용시키기 위한 설치 요구사항, 주파수 고려사항 및 여러가지 무선통신 기술이 한 장소에 공존 시 문제점을 해결하기 위한 기준을 제시하고 있다.Current wireless industrial communication IEC international standard technologies include WirelessHART (IEC 62591), ISA 100.11a (IEC62734), WIA-PA (IEC 62601), and WIA-FA (IEC CD62948). IEC TS 62657-1 and IEC 62657-2 present installation requirements for applying wireless communication technology to industrial sites, frequency considerations, and criteria for resolving problems when multiple wireless communication technologies coexist in one location.
WirelessHART는 IEEE802.15.4를 기반으로 하는 산업용 무선통신 프로토콜이며, 시간 동기화 기능, 자동화된 망 구성, 메시 네트워크의 자동 복원 기능 등을 가지고 있다. WirelessHART는 HART(Highway Addressable Remote Transducer)와 동일한 어플리케이션 계층을 사용하고 있고, HART 기반의 장치를 제어하는 명령어가 동일하기 때문에 기존 유선 환경인 HART와 호환성 및 확장성을 보장하며, 2010년 4월에 IEC62591 국제표준 규격으로 채택되었다.WirelessHART is an industrial wireless communication protocol based on IEEE802.15.4, and has time synchronization functions, automated network configuration, and automatic restoration of mesh networks. WirelessHART uses the same application layer as HART (Highway Addressable Remote Transducer), and the commands for controlling HART-based devices are the same, ensuring compatibility and expandability with the existing wired environment, HART, and was adopted as the IEC62591 international standard in April 2010.
ISA 100.11a는 ISA(International Society of Automation)에 의해 개발된 산업 공정 제어용 무선통신 프로토콜이다. 2009년 9월에 ISA 규격으로 채택되었으며, 2014년 10월에 IEC 62734 표준 규격으로 채택되었다. ISA 100.11a는 IEEE802.15.4 프로토콜 기반 위에 6LowPAN을 채택하여 IPv6을 지원함으로써 확장성이 뛰어나고, IoT(Internet of Things) 기술과 호환성을 가진다. ISA 100.11a는 HART, Profibus, Foundation Fieldbus 그리고 Device Net을 포함한 다양한 통신 프로토콜과 상호 운용이 가능하다.ISA 100.11a is a wireless communication protocol for industrial process control developed by ISA (International Society of Automation). It was adopted as an ISA standard in September 2009, and as an IEC 62734 standard in October 2014. ISA 100.11a supports IPv6 by adopting 6LowPAN on top of the IEEE802.15.4 protocol, providing excellent expandability and compatibility with IoT (Internet of Things) technology. ISA 100.11a is interoperable with various communication protocols including HART, Profibus, Foundation Fieldbus, and Device Net.
전 세계 산업용 무선통신 시장은 2019년 기준 13.36억 달러 규모이며 2019~2025년까지 연평균 13.2%의 CAGR로 2025년 28.09억 달러 규모로 성장할 것으로 전망된다. 또한, 국내 산업용 무선통신 시장은 2019년 기준 245.5억 원 규모이며 2019~2025년까지 연평균 13.2%의 CAGR로 2025년 516.1억 원 규모로 성장할 것으로 전망된다.The global industrial wireless communications market was valued at USD 1.336 billion in 2019 and is expected to grow at a CAGR of 13.2% from 2019 to 2025, reaching USD 2.809 billion in 2025. In addition, the domestic industrial wireless communications market was valued at KRW 24.55 billion in 2019 and is expected to grow at a CAGR of 13.2% from 2019 to 2025, reaching KRW 51.61 billion in 2025.
그런데, 현재 주류를 이루고 있는 산업용 무선 계측기기 분야의 제품은 각각 독자적인 산업용 무선 네트워크 프로토콜을 적용하기 때문에 기존 제조사의 무선 계측기 신호를 수신해야 하는 무선 어댑터 입장에서는 제조사에 따라 통신 호환성이 낮아지게 되어 결국 전체적인 상호 운용성이 저하되는 문제점이 있다.However, since the products in the industrial wireless measuring equipment field that are currently mainstream each apply their own industrial wireless network protocol, there is a problem in that the wireless adapter that must receive the wireless measuring equipment signals of existing manufacturers has low communication compatibility depending on the manufacturer, which ultimately reduces overall interoperability.
무선 어댑터는 필요한 종류의 무선기기가 없거나, 배선의 열화 등으로 기존 유선기기를 무선화하고자 할 경우, 유선 현장기기를 무선화하는 데 유용하다. 하지만, 기존 무선 어댑터는 4-20㎃의 표준 아날로그 신호만을 수용하기 때문에 다양한 계측신호를 하나의 무선 어댑터가 수용하지 못하는 문제점이 있다.Wireless adapters are useful for converting wired field devices to wireless when the required type of wireless device is not available or when existing wired devices need to be converted to wireless due to deterioration of wiring. However, existing wireless adapters only accept standard analog signals of 4-20㎃, so there is a problem that a single wireless adapter cannot accept various measurement signals.
또한, 패키지 형태로 제품이 판매되기 때문에 소규모의 현장 적용성이 떨어지고 수요자 입장에서 불필요한 부분까지 시스템 구축이 이루어져 구축된 시스템이 무겁고 초기 구축 비용이 과도한 문제점이 있다.In addition, since the product is sold in package form, there is a problem that small-scale field applicability is low, and the system is built to include unnecessary parts from the user's perspective, so the built system is heavy and the initial construction cost is excessive.
본 발명의 일 실시예는 다양한 계측신호의 수용이 가능하고 상호 운용성이 향상된 고신뢰 산업플랜트용 무선 어댑터 장치를 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a wireless adapter device for a high-reliability industrial plant capable of accepting various measurement signals and having improved interoperability.
본 발명의 일 실시예는 서로 다른 무선 네트워크 프로토콜을 적용한 현장기기와 상호 통신이 호환되어 운용성을 향상할 수 있고 표준 아날로그 신호 이외의 다양한 계측신호도 수용할 수 있는 고신뢰 기반의 산업플랜트용 무선 어댑터 장치를 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a highly reliable wireless adapter device for industrial plants that can improve operability by interoperating with field devices that apply different wireless network protocols and can accept various measurement signals other than standard analog signals.
본 발명의 일 실시예는 현장 적용성을 높이고 플랜트 조업에 적합한 산업용 무선시스템 구축 비용을 저감할 수 있는 산업플랜트용 무선 어댑터 장치를 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a wireless adapter device for industrial plants that can increase field applicability and reduce the cost of constructing an industrial wireless system suitable for plant operation.
실시예들 중에서, 산업플랜트용 무선 어댑터 장치는 이종 계측장치에 대해 입출력 인터페이스(I/O Interface)로서 다중 계측신호를 수용하는 아날로그/디지털 컨버터(이하, ADC); WirelessHART 프로토콜을 기반으로 게이트웨이와 무선 통신하는 WirelessHART 모듈; 현장의 HART 기기와 통신을 수행하는 HART 모뎀; 및 WirelessHART(IEC62591) 표준 지원 통합 펌웨어를 포함하고 상기 WirelessHART 모듈을 작동시키고 보안 서비스 어플리케이션을 실행하고 무선 통신 상태를 표시하는 MCU를 포함한다.Among the embodiments, the wireless adapter device for industrial plants includes an analog/digital converter (hereinafter, ADC) that accepts multiple measurement signals as an input/output interface (I/O Interface) for heterogeneous measurement devices; a WirelessHART module that wirelessly communicates with a gateway based on the WirelessHART protocol; a HART modem that performs communication with a HART device in the field; and an MCU that includes integrated firmware that supports the WirelessHART (IEC62591) standard, operates the WirelessHART module, executes a security service application, and displays a wireless communication status.
상기 ADC는 다중 입력 설계로 구현되고 상기 이종 계측장치의 연결된 계측기에 따른 전류 또는 전압 또는 저항 변화값의 형식으로 아날로그 입력을 받을 수 있다.The above ADC is implemented with a multi-input design and can receive analog input in the form of current or voltage or resistance change values according to the connected measuring instruments of the heterogeneous measuring device.
상기 ADC는 4-20㎃ 표준 아날로그 신호를 입력받는 제1 입력채널; 전압 단위의 아날로그 신호를 입력받는 제2 입력채널; 및 저항 단위의 아날로그 신호를 입력받는 제3 입력채널을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 입력채널 중 하나의 입력채널을 통해 입력되는 아날로그 계측신호를 디지털로 변환할 수 있다.The above ADC includes a first input channel for receiving a 4-20mA standard analog signal; a second input channel for receiving an analog signal in voltage units; and a third input channel for receiving an analog signal in resistance units, and can convert an analog measurement signal input through one of the first to third input channels into a digital signal.
상기 WirelessHART 모듈은 상기 HART 기기의 통신을 WirelessHART 대응 무선으로 변환하는 프로토콜 변환을 수행할 수 있다.The above WirelessHART module can perform protocol conversion to convert communication of the HART device into a WirelessHART-compliant wireless.
상기 펌웨어는 WirelessHART(IEC62591) 표준 프로토콜 검증을 위한 통합 실행, 프로토콜 메시지 관리, 데이터 가공 생성과 전송 이력 관리를 하는 WirelessHART(IEC62591) 표준 기반 프로토콜 생성 및 정합 모듈을 포함할 수 있다.The above firmware may include a WirelessHART (IEC62591) standard-based protocol generation and alignment module that performs integrated execution for WirelessHART (IEC62591) standard protocol verification, protocol message management, data processing generation, and transmission history management.
상기 WirelessHART(IEC62591) 표준 기반 프로토콜 생성 및 정합 모듈은 다중 계측신호 수용을 위한 ADC 드라이버, 현장 운용 장비에 원격 제어 및 모니터링을 제공하기 위한 UART 프로토콜 및 현장 운용 장비의 검증을 위한 모니터링으로 사용되는 LCD 드라이버를 제어하는 산업플랜트용 모듈로 구현될 수 있다.The above WirelessHART (IEC62591) standard-based protocol generation and matching module can be implemented as an industrial plant module that controls an ADC driver for accepting multiple measurement signals, a UART protocol for providing remote control and monitoring to field operation equipment, and an LCD driver used for monitoring for verification of field operation equipment.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology may have the following effects. However, this does not mean that a specific embodiment must include all or only the following effects, and thus the scope of the disclosed technology should not be construed as being limited thereby.
본 발명의 일 실시예에 따른 산업플랜트용 무선 어댑터 장치는 서로 다른 무선 네트워크 프로토콜을 적용한 현장기기와 상호 통신이 호환되어 운용성을 향상할 수 있고 표준 아날로그 신호 이외의 다양한 계측신호도 수용할 수 있다.A wireless adapter device for industrial plants according to one embodiment of the present invention can improve operability by enabling intercommunication with field devices applying different wireless network protocols, and can also accept various measurement signals other than standard analog signals.
본 발명의 일 실시예에 따른 산업플랜트용 무선 어댑터 장치는 현장 적용성을 높이고 플랜트 조업에 적합한 산업용 무선시스템 구축 비용을 저감할 수 있다.A wireless adapter device for industrial plants according to one embodiment of the present invention can increase field applicability and reduce the cost of constructing an industrial wireless system suitable for plant operation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업플랜트용 무선 통신 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 무선 어댑터 장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 있는 무선 어댑터 장치의 WirelessHART 프로토콜 정합을 설명하는 도면이다.FIG. 1 is a drawing illustrating a wireless communication system for an industrial plant according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing illustrating the wireless adapter device in FIG. 1.
Figure 3 is a drawing explaining the WirelessHART protocol alignment of the wireless adapter device in Figure 2.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The description of the present invention is only an embodiment for structural and functional explanation, so the scope of the rights of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiments can be variously modified and can have various forms, the scope of the rights of the present invention should be understood to include equivalents that can realize the technical idea. In addition, the purpose or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment must include all of them or only such effects, so the scope of the rights of the present invention should not be understood as being limited thereby.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meanings of the terms described in this application should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as "first", "second", etc. are intended to distinguish one component from another, and the scope of the rights should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When it is said that a component is "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected to that other component, but there may also be other components in between. On the other hand, when it is said that a component is "directly connected" to another component, it should be understood that there are no other components in between. Meanwhile, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.A singular expression should be understood to include the plural expression unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as "comprises" or "have" should be understood to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but not to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, the identifiers (e.g., a, b, c, etc.) are used for convenience of explanation and do not describe the order of each step, and each step may occur in a different order than stated unless the context clearly indicates a specific order. That is, each step may occur in the same order as stated, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the opposite order.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can be implemented as a computer-readable code on a computer-readable recording medium, and the computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices that store data that can be read by a computer system. Examples of the computer-readable recording medium include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. In addition, the computer-readable recording medium can be distributed over network-connected computer systems, so that the computer-readable code can be stored and executed in a distributed manner.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein, unless otherwise defined, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the relevant art, and shall not be interpreted as having an ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in this application.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업플랜트용 무선 통신 시스템을 설명하는 도면이다.FIG. 1 is a drawing illustrating a wireless communication system for an industrial plant according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 산업플랜트용 무선 통신 시스템(100)은 이종 계측장치(110), 무선 어댑터 장치(130), 게이트웨이(150) 및 원격 제어/모니터링 장치(170)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a wireless communication system (100) for an industrial plant may include a heterogeneous measuring device (110), a wireless adapter device (130), a gateway (150), and a remote control/monitoring device (170).
산업플랜트용 무선 통신 시스템(100)은 센서 및 무선 전송기 등 현장에 설치하는 현장 무선기기와 컨트롤러 등 상위 기기와 연계하는 무선 인프라 기기로 구성될 수 있다. A wireless communication system (100) for an industrial plant may be composed of wireless devices installed on site, such as sensors and wireless transmitters, and wireless infrastructure devices that are linked to upper level devices, such as controllers.
이종 계측장치(110)는 산업현장에 설치된 각종 설비들의 계기상태를 파악하고 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 이종 계측장치(110)는 배관, 반응탑 등의 각종 설비의 온도, 압력, 유량이나 장치의 진동 등을 측정할 수 있는 다양한 계측기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이종 계측장치(110)는 온도계(RTD Temperature Sensor), 압력계(Pressure Sensor) 등 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 이종 계측장치(110)는 무선 어댑터 장치(130)와 연결되어 측정하는 데이터를 무선으로 송신하는 현장 무선 계측기기로 구현될 수 있다.The heterogeneous measuring device (110) can identify and measure the instrument status of various facilities installed in an industrial site. In one embodiment, the heterogeneous measuring device (110) may include various measuring instruments that can measure temperature, pressure, flow rate, vibration of devices, etc. of various facilities such as pipes and reaction towers. For example, the heterogeneous measuring device (110) may include various sensors such as a thermometer (RTD Temperature Sensor) and a pressure sensor. The heterogeneous measuring device (110) may be implemented as a field wireless measuring device that is connected to a wireless adapter device (130) and wirelessly transmits measured data.
무선 어댑터 장치(130)는 이종 계측장치(110)로부터 수집된 데이터를 무선 네트워크를 통해 전송할 수 있다. 무선 어댑터 장치(130)는 이종 계측장치(110)와 게이트웨이(150) 사이에서 계측신호를 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 무선 어댑터 장치(130)는 단일 기기로 다중 계측신호를 수용할 수 있으며, WirelessHART, ISA100.11a 등 산업용 무선통신 프로토콜 간 상호 통신 호환할 수 있다. 여기에서, 무선 어댑터 장치(130)는 국제무선표준인 WirelessHART 어댑터로, 기존 유선 HART 계측기에 추가하여 원격 액세스용 WirelessHART 연결을 제공할 수 있다. 무선 어댑터 장치(130)는 이종 계측장치(110)와의 인터페이스 호환을 통해 4-20㎃의 표준 아날로그 신호만 아니라 열전대(㎷), 측온저항체(Ohm), 압력센서(V) 등 다양한 계측신호를 수용할 수 있다. 또한, 무선 어댑터 장치(130)는 IEC62591 표준 지원을 통해 상호 통신 호환할 수 있다. 무선 어댑터 장치(130)는 배터리를 내장하고 그 배터리에서 이종 계측장치(110)를 센서 구동할 수 있다.The wireless adapter device (130) can transmit data collected from the heterogeneous measuring device (110) through a wireless network. The wireless adapter device (130) can transmit a measurement signal between the heterogeneous measuring device (110) and the gateway (150). In one embodiment, the wireless adapter device (130) can accept multiple measurement signals as a single device, and can be inter-communicatively compatible between industrial wireless communication protocols such as WirelessHART and ISA100.11a. Here, the wireless adapter device (130) is a WirelessHART adapter, which is an international wireless standard, and can provide a WirelessHART connection for remote access in addition to an existing wired HART measuring device. The wireless adapter device (130) can accept various measurement signals such as a thermocouple (㎷), a resistance thermometer (Ohm), and a pressure sensor (V) as well as a standard analog signal of 4-20㎃ through interface compatibility with the heterogeneous measuring device (110). In addition, the wireless adapter device (130) can be interoperable with each other through support of the IEC62591 standard. The wireless adapter device (130) has a built-in battery and can drive a heterogeneous measuring device (110) as a sensor from the battery.
게이트웨이(150)는 무선 어댑터 장치(130)에서 데이터를 수신하여 상위 시스템인 원격 제어/모니터링 장치(170)에 보내거나 혹은 원격 제어/모니터링 장치(170)의 명령을 무선 어댑터 장치(130)에 송신할 수 있다. 게이트웨이(150)는 산업현장 내 적절한 위치에 설치될 수 있으며 RS485 또는 이더넷(Ethernet) 혹은 두 가지를 모두 사용하여 원격 제어/모니터링 장치(170)에 연결할 수 있다. 게이트웨이(150)는 기본적으로 하나의 장치로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 복수의 독립된 장치들로 구현될 수도 있다. 이 경우, 각 게이트웨이(150)는 상호 연동하여 동작할 수 있다. The gateway (150) can receive data from the wireless adapter device (130) and send it to the upper system, the remote control/monitoring device (170), or transmit a command of the remote control/monitoring device (170) to the wireless adapter device (130). The gateway (150) can be installed at an appropriate location within an industrial site and can be connected to the remote control/monitoring device (170) using RS485 or Ethernet or both. The gateway (150) can be basically implemented as a single device, but is not necessarily limited thereto, and can be implemented as a plurality of independent devices as needed. In this case, each gateway (150) can operate in conjunction with each other.
원격 제어/모니터링 장치(170)는 산업현장의 설비를 원격 제어하고 계측신호를 모니터링할 수 있는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 원격 제어/모니터링 장치(170)는 게이트웨이(150)를 통해 산업현장 내에 설치된 설비들에 대해 원격 제어 및 모니터링 서비스를 제공할 수 있다. 즉, 원격 제어/모니터링 장치(170)는 산업현장 내의 각 설비의 가동을 원격 제어할 수 있고 제어결과로 동작상태를 분석하여 각 설비의 정상적인 동작 여부를 확인할 수 있으며 점검 필요 상황을 외부에 전파하여 조치를 위한 알림 제공할 수 있다. The remote control/monitoring device (170) can be implemented as a server corresponding to a computer or program that can remotely control equipment in an industrial site and monitor measurement signals. The remote control/monitoring device (170) can provide remote control and monitoring services for equipment installed in an industrial site through a gateway (150). That is, the remote control/monitoring device (170) can remotely control the operation of each equipment in an industrial site, analyze the operating status based on the control results to check whether each equipment is operating normally, and transmit a situation requiring inspection to the outside to provide a notification for action.
도 2는 도 1에 있는 무선 어댑터 장치를 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a drawing illustrating the wireless adapter device in FIG. 1.
도 2를 참조하면, 무선 어댑터 장치(130)는 이종 계측장치(110)와 연결되고 다중 계측신호를 수신하고 무선통신을 통해 게이트웨이(150)로 전송하기 위해, 아날로그/디지털 컨버터(ADC)(210), MCU(Micro Processor Unit)(220), WirelessHART 모듈(230), HART 모뎀(240), 배터리(250) 및 안테나(260)를 포함하여 구현될 수 있다.Referring to FIG. 2, a wireless adapter device (130) may be implemented to include an analog/digital converter (ADC) (210), an MCU (Micro Processor Unit) (220), a WirelessHART module (230), a HART modem (240), a battery (250), and an antenna (260) to connect to a heterogeneous measuring device (110) and receive multiple measuring signals and transmit them to a gateway (150) via wireless communication.
아날로그/디지털 컨버터(이하, ADC)(210)는 이종 계측장치(110)에 대해 입출력 인터페이스(I/O Interface)로서 이종 계측장치(110)에서 계측된 아날로그 계측신호를 입력받고 디지털로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(210)는 다중 입력 설계로 이종 계측장치(110)의 계측기 종류에 따라 전류, 전압, 저항 변화값 등 다양한 단위의 계측신호를 입력받을 수 있다. 여기에서, ADC(210)는 입력형식 4~20㎃ DC, 입력 범위 0~25㎃의 4~20㎃ 표준 아날로그 신호 입력을 위한 제1 입력채널, 전압(V) 단위의 아날로그 신호 입력을 위한 제2 입력채널, 저항(Ω) 단위의 아날로그 신호 입력을 위한 제3 입력채널을 포함할 수 있다. ADC(210)는 제1 내지 제3 입력채널 중 하나의 입력채널을 통해 입력되는 아날로그 계측신호를 디지털로 변환하여 MCU(220)로 출력할 수 있다. An analog/digital converter (hereinafter, ADC) (210) may be an input/output interface (I/O Interface) for a heterogeneous measuring device (110) and may receive analog measurement signals measured by the heterogeneous measuring device (110) and convert them into digital signals. In one embodiment, the ADC (210) may be designed with a multi-input and may receive measurement signals of various units, such as current, voltage, and resistance change values, depending on the type of measuring device of the heterogeneous measuring device (110). Here, the ADC (210) may include a first input channel for inputting a 4 to 20 mA standard analog signal having an input format of 4 to 20 mA DC and an input range of 0 to 25 mA, a second input channel for inputting an analog signal in units of voltage (V), and a third input channel for inputting an analog signal in units of resistance (Ω). ADC (210) can convert an analog measurement signal input through one of the first to third input channels into digital and output it to MCU (220).
일 실시예에서, ADC(210)는 제1 입력채널을 통해 측정 데이터를 4-20㎃와 같은 일반 신호로 변환해주는 상용 트랜스미터 유선 연결할 수 있다. ADC(210)는 제2 입력채널을 통해 V 또는 ㎷의 압력 계측기와 연결할 수 있다. ADC(210)는 제3 입력채널을 통해 RTD(Resistance Temperature Detector) 온도 계측기와 연결할 수 있다. 즉, ADC(210)는 산업플랜트에서 사용되는 다양한 장비의 계측 신호를 수용할 수 있다.In one embodiment, the ADC (210) can be connected to a commercial transmitter wired to convert measurement data into a general signal such as 4-20 mA through the first input channel. The ADC (210) can be connected to a pressure meter of V or mV through the second input channel. The ADC (210) can be connected to an RTD (Resistance Temperature Detector) temperature meter through the third input channel. That is, the ADC (210) can accept measurement signals of various equipment used in industrial plants.
MCU(220)는 ADC(210)에서 디지털로 변환된 계측신호의 무선 전송을 위해 WirelessHART 모듈(230)을 작동시킬 수 있다. MCU(220)는 WirelessHART 모듈(230)과 게이트웨이(150) 간의 송수신 상태를 표시할 수 있다. 일 실시예에서, MCU(220)는 LED 또는 LCD를 통해 무선 전송 송수신 표시할 수 있다.The MCU (220) can operate the WirelessHART module (230) for wireless transmission of the measurement signal converted into digital by the ADC (210). The MCU (220) can display the transmission and reception status between the WirelessHART module (230) and the gateway (150). In one embodiment, the MCU (220) can display the wireless transmission and reception status through an LED or LCD.
MCU(220)는 무선 어댑터 장치(130)의 주요 기능과 연관된 보안 서비스 어플리케이션을 실행할 수 있다. MCU(220)는 무선 어댑터 장치(130)의 동작 전반을 제어할 수 있다. The MCU (220) can execute a security service application associated with the main function of the wireless adapter device (130). The MCU (220) can control the overall operation of the wireless adapter device (130).
WirelessHART 모듈(230)은 WirelessHART 프로토콜을 기반으로 게이트웨이(150)와의 통신을 수행하여 계측 데이터를 안테나(260)를 통해 게이트웨이(150) 측으로 무선 전송할 수 있다. The WirelessHART module (230) can perform communication with the gateway (150) based on the WirelessHART protocol and wirelessly transmit measurement data to the gateway (150) through the antenna (260).
WirelessHART는 프로세스 자동화 애플리케이션을 위한 하나의 무선 메쉬 네트워크 통신이다. 이는 HART 장비, 제어 및 도구와 완벽한 호환성을 유지하면서 HART 프로토콜에 무선 성능을 추가한 것이다.WirelessHART is a wireless mesh network communication for process automation applications. It adds wireless capabilities to the HART protocol while maintaining full compatibility with HART equipment, controls, and tools.
WirelessHART 모듈(230)은 WirelessHART 표준을 지원하고 무선 전송 감쇠를 줄이기 위한 안테나 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, WirelessHART 모듈(230)은 이종 계측기기(110)의 HART 프로토콜을 WirelessHART 프로토콜로 변환할 수 있다. 즉, WirelessHART 모듈(230)은 HART 기기의 통신을 WirelessHART 대응 무선으로 변환하는 프로토콜 변환을 수행할 수 있다.The WirelessHART module (230) may support the WirelessHART standard and include an antenna interface for reducing wireless transmission attenuation. In addition, the WirelessHART module (230) may convert the HART protocol of a heterogeneous measuring device (110) into the WirelessHART protocol. That is, the WirelessHART module (230) may perform protocol conversion to convert the communication of the HART device into a WirelessHART-compliant wireless.
HART 모뎀(240)은 이종 계측장치(110) 중 HART 입력 형식의 계측기가 있는 경우 해당 계측기의 HART 모뎀과의 유선 통신을 통해 계측신호를 수집할 수 있다. HART 통신은 4-20㎃ 아날로그 신호 라인은 그대로 사용하면서 FSK(Frequency Shift Keying)로 변조된 신호를 추가하여 디지털 통신을 가능하게 한다. HART 통신은 1200bps의 양방향 통신을 기본으로 하며, 기존 2Wire에 양방향 통신을 가능토록 하기 위해 Half-duplex 방식으로 통신하고, Master/Slave 방식의 프로토콜을 사용하고 있다. HART 통신은 Point-to-Point와 Multidrop의 두가지 방식으로 네트워크를 구성할 수 있으며, 폴링 어드레스(Polling Address)라고 하는 기본 어드레스와 4-20㎃ 출력이 네트워크 구성 방식에 따라 한정된다.The HART modem (240) can collect measurement signals through wired communication with the HART modem of the measuring instrument in the case of a measuring instrument with a HART input format among the heterogeneous measuring devices (110). HART communication enables digital communication by adding a signal modulated with FSK (Frequency Shift Keying) while using the 4-20㎃ analog signal line as it is. HART communication is based on bidirectional communication at 1200bps, and in order to enable bidirectional communication on the existing 2Wire, it communicates in a half-duplex manner and uses a Master/Slave protocol. HART communication can configure a network in two ways: Point-to-Point and Multidrop, and the basic address called the Polling Address and the 4-20㎃ output are limited depending on the network configuration method.
배터리(250)는 무선 어댑터 장치(130)에 전원을 공급할 수 있다. 배터리(250)는 무선 어댑터 장치(130)가 이종 계측장치(110)에 전원을 공급해야 하는 경우 MCU(220)의 제어 하에 연결된 이종 계측장치(110)에 전원을 공급할 수 있다.The battery (250) can supply power to the wireless adapter device (130). The battery (250) can supply power to a heterogeneous measuring device (110) connected under the control of the MCU (220) when the wireless adapter device (130) needs to supply power to the heterogeneous measuring device (110).
도 3은 도 2에 있는 무선 어댑터 장치의 WirelessHART 프로토콜 정합을 설명하는 도면이다.Figure 3 is a drawing explaining the WirelessHART protocol alignment of the wireless adapter device in Figure 2.
도 3을 참조하면, 무선 어댑터 장치(130)는 WirelessHART(IEC62591) 표준 지원 통합 펌웨어를 포함할 수 있다. 펌웨어에는 WirelessHART(IEC62591) 표준 기반 프로토콜 생성/정합 모듈을 포함할 수 있다. WirelessHART(IEC62591) 표준 기반 프로토콜 생성/정합 모듈은 표준 프로토콜 검증을 위한 통합 실행, 프로토콜 메시지 관리 및 데이터 가공/전송 이력 관리를 할 수 있다. WirelessHART(IEC62591) 표준 기반 프로토콜 생성/정합 모듈은 M1100S 기반 ADC(Analog to Digital Converter), LCD(liquid crystal display), UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 등을 제어하는 산업플랜트용 모듈로 구현될 수 있다. 여기에서, ADC 드라이버는 산업플랜트에서 사용되는 다양한 장비의 계측 신호를 수용할 수 있다. UART 프로토콜은 다양한 장비에 원격제어 및 모니터링을 제공할 수 있다. LCD 드라이버는 현장에서 운용되는 장비의 즉시 검증을 위한 모니터링으로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 3, the wireless adapter device (130) may include an integrated firmware supporting the WirelessHART (IEC62591) standard. The firmware may include a WirelessHART (IEC62591) standard-based protocol generation/matching module. The WirelessHART (IEC62591) standard-based protocol generation/matching module may perform integrated execution for standard protocol verification, protocol message management, and data processing/transmission history management. The WirelessHART (IEC62591) standard-based protocol generation/matching module may be implemented as an industrial plant module that controls an M1100S-based ADC (Analog to Digital Converter), LCD (liquid crystal display), UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), etc. Here, the ADC driver may accept measurement signals of various equipment used in the industrial plant. The UART protocol may provide remote control and monitoring to various equipment. The LCD driver can be used for monitoring for immediate verification of equipment operating in the field.
본 발명에 따른 산업플랜트용 무선 어댑터 장치는 전압 및 저항 변화에 따른 정밀한 계측 신호를 수용할 수 있는 인터페이스를 제공하여 유선 인프라에서 4~20㎃ 단일 전기적 전송 특성을 무선 환경으로 호환성을 갖도록 함으로써 다양한 계측신호의 수용이 가능하고 상호 운용성이 향상될 수 있다.The wireless adapter device for industrial plants according to the present invention provides an interface capable of accepting precise measurement signals according to voltage and resistance changes, thereby making the single electrical transmission characteristics of 4 to 20 mA in wired infrastructure compatible with a wireless environment, thereby enabling acceptance of various measurement signals and improving interoperability.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes may be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below.
100: 산업플랜트용 무선 통신 시스템
110: 이종 계측장치 130: 무선 어댑터 장치
150: 게이트웨이 170: 원격 제어/모니터링 장치
210: HART 모뎀 220: 아날로그/디지털 컨버터(ADC)
230: MUC 240: WirelessHART 모듈
250: 안테나 260: 배터리100: Wireless communication system for industrial plants
110: Heterogeneous measuring device 130: Wireless adapter device
150: Gateway 170: Remote Control/Monitoring Device
210: HART Modem 220: Analog/Digital Converter (ADC)
230: MUC 240: WirelessHART Module
250: Antenna 260: Battery
Claims (6)
상기 계측신호의 무선 전송을 위해 WirelessHART 프로토콜을 기반으로 게이트웨이와 무선 통신하는 WirelessHART 모듈;
현장의 HART 기기와 통신을 수행하는 HART 모뎀; 및
WirelessHART 국제 표준 지원 통합 펌웨어를 포함하고 상기 WirelessHART 모듈을 작동시키고 보안 서비스 어플리케이션을 실행하고 상기 WirelessHART 모듈과 상기 게이트웨이 간의 무선 통신 상태를 LED 또는 LCD를 통해 표시하는 MCU를 포함하되,
상기 ADC는
상기 이종 계측장치의 계측기 중 상용 트랜스미터와 연결되고 4㎃ 이상 20㎃ 이하의 표준 아날로그 신호를 입력받는 제1 입력채널;
상기 이종 계측장치의 계측기 중 압력 계측기와 연결되고 전압 단위의 아날로그 신호를 입력받는 제2 입력채널; 및
상기 이종 계측장치의 계측기 중 RTD(Resistance Temperature Detector) 온도 계측기와 연결되고 저항 단위의 아날로그 신호를 입력받는 제3 입력채널을 포함하고,
상기 제1 내지 제3 입력채널 중 하나의 입력채널을 통해 입력되는 아날로그 계측신호를 디지털로 변환하여 출력하며,
상기 펌웨어는
WirelessHART 국제표준 프로토콜 검증을 위한 통합 실행, 프로토콜 메시지 관리, 데이터 가공 생성과 전송 이력 관리를 하는 WirelessHART 국제표준 기반 프로토콜 생성 및 정합 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업플랜트용 무선 어댑터 장치.
An analog/digital converter (hereinafter, ADC) implemented with a multi-input design as an input/output interface (I/O Interface) for heterogeneous measuring devices and accepting multiple measurement signals in the form of current or voltage or resistance change values measured by the heterogeneous measuring devices;
A WirelessHART module that wirelessly communicates with a gateway based on the WirelessHART protocol for wireless transmission of the above measurement signal;
A HART modem that communicates with HART devices in the field; and
Including an MCU that includes an integrated firmware supporting the WirelessHART international standard, operates the WirelessHART module, executes a security service application, and displays the wireless communication status between the WirelessHART module and the gateway through an LED or LCD,
The above ADC
A first input channel connected to a commercial transmitter among the measuring instruments of the above heterogeneous measuring device and receiving a standard analog signal of 4 mA or more and 20 mA or less;
A second input channel connected to a pressure measuring instrument among the measuring instruments of the above heterogeneous measuring device and receiving an analog signal in voltage units; and
Among the measuring instruments of the above heterogeneous measuring device, a third input channel is connected to an RTD (Resistance Temperature Detector) temperature measuring instrument and receives an analog signal in resistance unit.
Converts an analog measurement signal input through one of the first to third input channels into a digital signal and outputs it.
The above firmware is
An industrial plant wireless adapter device characterized by including a WirelessHART international standard-based protocol generation and alignment module that performs integrated execution for WirelessHART international standard protocol verification, protocol message management, data processing generation, and transmission history management.
상기 HART 기기의 통신을 WirelessHART 대응 무선으로 변환하는 프로토콜 변환을 수행하는 것을 특징으로 하는 산업플랜트용 무선 어댑터 장치.
In the first paragraph, the WirelessHART module
A wireless adapter device for industrial plants, characterized in that it performs protocol conversion for converting communication of the above HART device into a WirelessHART-compliant wireless.
다중 계측신호 수용을 위한 ADC 드라이버, 현장 운용 장비에 원격 제어 및 모니터링을 제공하기 위한 UART 프로토콜 및 현장 운용 장비의 검증을 위한 모니터링으로 사용되는 LCD 드라이버를 제어하는 산업플랜트용 모듈로 구현되는 것을 특징으로 하는 산업플랜트용 무선 어댑터 장치.
In the first paragraph, the WirelessHART international standard-based protocol generation and alignment module
A wireless adapter device for industrial plants, characterized by being implemented as a module for industrial plants that controls an ADC driver for accepting multiple measurement signals, a UART protocol for providing remote control and monitoring to field operation equipment, and an LCD driver used for monitoring for verification of field operation equipment.
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Legal Events
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